DE19945432A1 - Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Last mit reduzierter Störabstrahlung - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Last mit reduzierter StörabstrahlungInfo
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Abstract
Es wird eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Last mit reduzierter Störabstrahlung vorgeschlagen, die eine Schaltvorrichtung, die seriell mit der Last zwischen zwei Versorgungspotentialanschlüssen verschalten ist, aufweist. Eine Steuervorrichtung steuert die Schaltvorrichtung an. Die Schaltvorrichtung weist einen ersten und mindestens einen zweiten Halbleiterschalter auf, deren Laststrecken parallel geschalten sind und wobei die Einsatzspannung des ersten Halbleiterschalters größer als die des zweiten Halbleiterschalters ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern
einer Last mit reduzierter Störabstrahlung mit einer Schalt
vorrichtung, die seriell mit der Last zwischen zwei Versor
gungspotentialanschlüssen verschalten ist und mit einer
Steuervorrichtung, die die Schaltvorrichtung ansteuert.
Derartige Schaltungsanordnungen werden häufig im pulsweiten
modulierten Betrieb angesteuert, um dadurch eine Stromrege
lung im Lastpfad zu erzielen. Der pulsförmige Stromverbrauch
führt jedoch zu einer unerwünschten Störabstrahlung. Diese
Störabstrahlungen können insbesondere benachbarte Schaltungs
anordnungen in ihrer Funktion stören. Die Störabstrahlung
(EMV-Störung)ist insbesondere angegeben, wenn die mit der
Last seriell verschaltete Schaltvorrichtung komplett an-
bzw. abgeschaltet wird. Die EMV-Störungen entstehen insbeson
dere durch diejenigen Bereiche der Stromverläufe, die eine
besonders abrupte relative Abnahme oder Zunahme des Strom
flusses aufweisen. Beim Einschalten ist die Stromzunahme von
Null auf einen von Null verschiedenen Wert als besonders kri
tisch anzusehen. Die störende Strahlung würde dann vermieden,
wenn der Stromverlauf einen sinusähnlichen Verlauf annimmt.
Bei der Pulsweitenmodulation wird das Störspektrum durch die
Form der Ein- und Abschaltflanken bestimmt. Das Maß der
Störabstrahlung wird insbesondere durch die Flankensteilheit
des Stromverlaufes bestimmt. Je flacher die Flankensteilheit
ausfällt, desto geringer würde die Störabstrahlung werden.
Eine flache Stromflanke hat jedoch den Nachteil, daß hier
durch die Schaltverluste drastisch erhöht werden. Zur Vermei
dung von Schaltverlusten und somit einer thermischen Erwär
mung des Halbleiterschalters ist es deshalb sinnvoll, die
Stromflanke sowohl im Anstieg als auch während des Abfallens
so steil wie möglich auszuführen. Andererseits erhöht sich
hierdurch die elektromagnetische Störabstrahlung.
Werden als Halbleiterschalter MOS-Schalter verwendet, so sind
insbesondere die unteren Ecken der Ein- und der Abschalt
flanke bezüglich der Störstrahlung kritisch.
Es existiert deshalb das Bestreben, einen möglichst guten
Kompromiß zwischen der Verlustleistung das Halbleiterschal
ters und der erzeugten Störstrahlung zu finden. In der nicht
vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 198 48 829.7
wird zur Lösung dieser Problematik vorgeschlagen, eine Steue
rung bzw. Regelung der Gatespannung des Leistungstransistors
vorzunehmen. Neben einer aufwendigen Steuerschaltung weist
die dort vorgeschlagene Lösung den Nachteil auf, daß hier
durch nur die Abschaltflanke beeinflußt, daß heißt abgerundet
wird. Für die Steuerschaltung ist zu dem ein hoher Schal
tungsaufwand notwendig, der einerseits einen zusätzlichen
Platzbedarf in einer integrierten Schaltungsanordnung benö
tigt und somit teuer ist und andererseits während der Ein
schaltflanke weiterhin EMV-Störungen verursacht.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung deshalb darin, eine Schaltungsan
ordnung zum Ansteuern einer Last vorzusehen, die eine wesent
lich geringere Störabstrahlung verursacht.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patenanspruchs 1 ge
löst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die von ei
nem Halbleiterschalter verursachte Störabstrahlung dadurch
verringert werden kann, daß die Ein- und Abschaltflanken des
Stromverlaufes abgerundet werden. Dies wird dadurch erreicht,
daß die Schaltvorrichtung einen ersten und mindestens einen
zweiten Halbleiterschalter aufweist, deren Laststrecken par
allel geschalten sind und wobei die Einsatzspannung des er
sten Halbleiterschalters größer als die des zweiten Halblei
terschalters ist. Die Einsatzspannungen der Halbleiterschal
ter können z. B. entweder durch unterschiedliche Dotierungen
deren Bulk-Gebiete oder durch unterschiedliche Dicken deren
Gateoxide festgelegt werden.
Beim Einschalten fängt deshalb der Halbleiterschalter mit der
niedrigeren Einsatzspannung bereits bei kleineren Steuerspan
nungen durch die Steuervorrichtung an, Strom zu führen. Dies
bedeutet, dieser Halbleiter leitet früher einen Strom. Wenig
später schaltet auch der erste Halbleiterschalter mit der hö
heren Einsatzspannung ein. Entsprechend bleibt beim Abschal
ten der zweite Halbleiterschalter (mit der kleineren Einsatz
spannung) länger leitfähig als der erste Halbleiterschalter.
Durch die Überlagerung der Ströme des ersten und des zweiten
Halbleiterschalters werden die unteren Ecken der Schaltflan
ken beim Ein- und Abschalten abgerundet. Hierdurch entstehen
weniger Oberwellenkomponenten im Störspektrum.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Steueran
schlüsse des ersten und des zweiten Halbleiterschalters mit
einander verbunden. Dies hat zufolge, daß alle drei An
schlüsse - Steueranschluß sowie die zwei Hauptanschlüsse -
des ersten und des zweiten Halbleiter
schalters miteinander verbunden sind. Die Ansteuerung der
Schaltvorrichtung wird somit über eine einzige Leitung durch
die Steuervorrichtung vorgenommen. Das unterschiedliche
Schaltverhalten, daß heißt die Zeitpunkte des Ein- bzw. Aus
schalten der jeweiligen Halbleiterschaltung ist somit aus
schließlich durch die Einsatzspannungen des ersten und des
zweiten Halbleiterschalters bestimmt.
Ferner ist es vorteilhaft, den ersten Halbleiterschalter mit
einer größeren Zellenanzahl als den zweiten Halbleiterschal
ter auszustatten. Bevorzugt beträgt die Zellenanzahl des
zweiten Halbleiterschalters zwischen zwei und fünf Prozent
der Zellenanzahl des ersten Halbleiterschalters.
Alternativ weist der erste Halbleiterschalter ein wesentlich
größeres W/L-Verhältnis auf als der zweite Halbleiterschal
ter. W repräsentiert hierbei die Kanalweite und L die Ka
nallänge eines feldeffektgesteuerten Bauelementes.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann entweder in mo
nolithisch integrierter Weise ausgeführt werden oder aber aus
diskreten Bauelementen bestehen. Der äußerst einfache Aufbau
der Schaltungsanordnung eignet sich für diskret aufgebaute
Halbleiterbauelemente, da diese in der Regel keine eigenen
Logikschaltungen besitzen. Bisher war es zur Beeinflussung
der Flankensteuerung deshalb notwendig, weitere externe Bau
elemente vorzusehen, die beispielsweise die Gate Spannung in
geeigneter Weise steuern oder regeln.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeichnet sich insbe
sondere dadurch aus, daß diese äußerst einfach aufgebaut ist
und auf jegliche Arten einer Steuerung oder einer Regelung
verzichten kann. Somit ist eine sehr kostengünstige Fertigung
möglich, da bei einer integrierten Ausführung kein zusätzli
cher Platz auf dem Halbleiterchip benötigt wird. In den mei
sten modernen integrierten Technologien stehen Zellen mit un
terschiedlichen Einsatzspannungen zur Verfügung. Somit kann
die Herstellung mit den bekannten Fertigungstechnologien ohne
zusätzliche Fertigungsschritte oder Masken realisiert werden.
Die Erfindung beeinflußt vorteilhafterweise gleichermaßen die
Ein- und Abschaltflanke des Stromverlaufes. Sie ist sowohl in
High-Side als auch in Low-Side-Konfigurationen anwendbar.
Die Erfindung und deren Vorteile werden anhand der nachfol
genden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schal
tungsanordnung in einer High-Side-Konfiguration,
Fig. 2 einen beispielhaften Stromverlauf mit einer Ein- und
einer Abschaltflanke und
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel an der Erfindung in
einer Low-Side-Konfiguration.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungs
gemäßen Schaltungsanordnung. Zwischen einem ersten Versor
gungspotentialanschluß 4 und einen zweiten Versorgungspoten
tialanschluß 5 ist die Reihenschaltung aus einer Schaltvor
richtung 7 und einer Last 1 verschalten. An dem ersten Ver
sorgungspotentialanschluss 4 liegt ein hohes Versorgungspo
tential Vbb an, während am zweiten Versorgungspotentialan
schluß 5 ein niedrigeres Versorgungspotential, zum Beispiel
das Massepotential vorgesehen ist. Die Last 1 kann sowohl ka
pazitiver, induktiver, resistiver Art, als auch gemischter
Art sein. Die Last könnte beispielsweise eine Lampe, ein Ven
til oder einen Motor darstellen.
Die Schaltvorrichtung 7 weist zwei Halbleiterschalter 2, 3
auf, die im vorliegenden Beispiel als MOSFETs ausgeführt
sind. Die Laststrecken des ersten und des zweiten Halbleiter
schalters 2, 3 sind parallel geschalten. Drainseitig sind der
erste und der zweite Halbleiterschalter 2, 3 mit dem ersten
Versorgungspotentialanschluß 4 verschalten. Die Sourcean
schlüsse des ersten und des zweiten Halbleiterschalters 2, 3
sind mit der Last 1 verbunden. Eine Steuervorrichtung 6, die
nach Maßgabe eines zum Beispiel von außen herangeführten Si
gnales die Halbleiterschalter leitend oder sperrend schaltet,
ist mit den Gateanschlüssen der beiden Halbleiterschalter
verbunden. Die Gateanschlüsse des ersten und des zweiten
Halbleiterschalters 2, 3 sind folglich miteinander verbunden.
Die Ausgestaltung der Steuervorrichtung 6 für eine High-Side-
Konfiguration ist aus dem Stand der Technik hinlänglich be
kannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Es
wird deshalb auf eine genaue Beschreibung der Ausgestaltung
an dieser Stelle verzichtet. Die Steuervorrichtung 6 könnte
beispielsweise eine Ladungspumpenschaltung aufweisen.
Erfindungsgemäß weist der zweite Halbleiterschalter 3 eine
geringere Einsatzspannung als der erste Halbleiterschalter 2
auf. Der zweite Halbleiterschalter 3 hat weiterhin eine ge
ringere Zellenanzahl als der erste Halbleiterschalter 2 oder
aber ein kleineres W/L-Verhältnis. W stellt dabei die Kanal
weite dar, L die Kanallänge eines MOSFETs. Beim Erhalt eines
Ansteuersignales durch die Steuervorrichtung 6 fängt der
zweite Halbleiterschalter 3 mit der niedrigeren Schwellen
spannung bereits bei kleineren Gatespannungen an Strom zu
führen. Erreicht die Spannung am Gate der beiden Halbleiter
schalter 2, 3 die Einsatzspannung des ersten Halbleiterschal
ters 2, so liefert der zweite Halbleiterschalter 3 kurzzeitig
einen größeren Strom, da die Drain-Source-Spannung während
des Einschaltmomentes des ersten Halbleiterschalters kurzzei
tig ansteigt. Gleiches gilt für den Moment des Ausschaltens,
daß heißt während des Abfalls der Stromflanke des ersten
Halbleiterschalters 2.
In Fig. 2 ist der Stromverlauf durch den ersten und den
zweiten Halbleiterschalter 2, 3 während einer Ein- und einer
Ausschaltflanke dargestellt. I3 bezeichnet dabei den Strom
durch den zweiten Halbleiterschalter 3, I2 den Strom durch
den ersten Halbleiterschalter 2. Die Summenfunktion der bei
den Ströme ist mit I2 + I3 dargestellt. Zum Zeitpunkt t1 wird
durch die Steuervorrichtung 6 eine Gatespannung bereitge
stellt, die der Einsatzspannung des zweiten Halbleiterschal
ters 3 entspricht. Dieser beginnt folglich zu leiten. Zum
Zeitpunkt t2 ist die Einsatzspannung des ersten Halbleiter
schalters 2 erreicht. In der Zeitspanne zwischen t2 und t1
wird der Strom durch die Last im wesentlichen durch den zwei
ten Halbleiterschalter 3 bestimmt. Der Übergang vom nichtlei
tenden in den leitenden Zustand ist in diesem Zeitraum durch
eine relativ flache Stromanstiegsflanke bestimmt.
Ab dem Zeitpunkt t2 beginnt der erste Halbleiterschalter 2 zu
leiten. Dieser ist in der Lage, ein Vielfaches des Stromes
des zweiten Halbleiterschalters 3 zu tragen. Hierdurch ergibt
sich eine sehr hohe Stromanstiegsgeschwindigkeit. Bis zum
Zeitpunkt t3 ist der erste Halbleiterschalter 2 vollkommen
aufgesteuert, daß heißt vollständig leitend. Während des Ein
schaltvorganges des ersten Halbleiterschalters 2, daß heißt
in der Zeitspanne zwischen t3 und t2 steigt die Drain-Source
Spannung stark an. Dies bedingt im zweiten Halbleiterschalter
3 aufgrund der physikalischen Zusammenhänge einen größeren
Stromfluß durch die Last. Diese macht sich zwar in der Summe
nicht stark bemerkbar, er ist jedoch für die "Verrundung" der
Einschaltflanke zwischen t1 und t2 verantwortlich.
Im Abschaltvorgang laufen die Vorgänge in umgekehrter Weise
ab. Zum Zeitpunkt t4 ist die Einsatzspannung des ersten Halb
leiterschalters 2 erreicht, daß heißt der Strom durch ihn
wird verringert. Dadurch bedingt ergibt sich wiederum eine
erhöhte Dain-Source Spannung, wodurch der zweite Halbleiter
schalter 3 einen erhöhten Strom liefert. Zum Zeitpunkt t5 ist
der erste Halbleiterschalter 2 vollständig abgeschalten, wäh
rend der zweite Halbleiterschalter 3 bis zum erreichen seiner
Einsatzspannung zum Zeitpunkt t6 noch einen großen Strom lie
fert. Hierdurch wird auch während der Abschaltflanke eine
Verrundung des Stromverlaufs hervorgerufen.
Durch die Erfindung ist es folglich auf einfache Weise mög
lich, die elektromagnetische Abstrahlung stark zu reduzieren,
da diese ausschließlich durch den Verlauf der Flanken beim
Übergang in den leitenden beziehungsweise beim Übergang in
den nichtleitenden Übergang Zustand hervorgerufen wird. Da
auf eine teure und aufwendige Steuerung zur Flankenformung
verzichtet werden kann, kann die erfindungsgemäße Schaltungs
anordnung sehr einfach realisiert werden. Die Erfindung eig
net sich insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, da
dort die elektromagnetische Verträglichkeit der verschiedenen
elektrischen Komponenten eine große Rolle spielt. Die Schal
tungsanordnung eignet sich gleichermaßen für Versorgungsspan
nungen von 12 Volt bis 42 Volt, wie diese im Kraftfahrzeug
eingesetzt werden. Es ist jedoch auch denkbar, Versorgungs
spannungen von 220 Volt oder 380 Volt, zum Beispiel bei dis
kreten Schaltern in einem Dreiphasennetz vorzusehen.
In den vorliegenden Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 oder
Fig. 3 ist jeweils nur eine Schaltvorrichtung dargestellt.
Selbstverständlich ist es auch denkbar eine Halbbrücke, eine
Vollbrücke oder aber eine Dreiphasen-Brücke vorzusehen, bei
der jede Schaltvorrichtung einen ersten und mindestens einen
zweiten Halbleiterschalter aufweist, um die elektromagneti
sche Abstrahlung zu verringern. Die Erfindung weist zu dem
den Vorteil auf, daß der Anstieg bzw. Abfall der Stromflanken
des ersten Halbleiterschalters, daß heißt eigentlichen Lei
stungs-Halbleiterschalters, sehr steil ausgeführt werden
kann, daß die Schaltverluste gering bleiben.
Die Schaltvorrichtung könnte auch aus mehr als zwei parallel
geschalteten Halbleiterschaler bestehen. In diesem Fall wären
dann die Einsatzspannungen sowie die Zellenanzahl bzw. W/L
Verhältnisse unterschiedlich. Je größer die Anzahl der
parallel geschalteten Halbleiterschalter ist, desto gezielter
kann die Flankenform des Stromverlaufes beeinflußt werden.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
wobei dort eine Low-side-Konfiguration dargestellt ist. Dies
bedeutet die Last 1 ist mit einem hohen Versorgungspotential
Vbb an einem ersten Versorgungspotentialanschluß 4 verbunden.
Zwischen dem anderen Anschluß der Last 1 und dem zweiten Ver
sorgungspotentialanschluß 5, an dem ein niedriges Bezugspo
tential anliegt, ist die Schaltvorrichtung 7 vorgesehen, die
wie in Fig. 1 beschrieben, aufgebaut ist.
1
Last
2
Halbleiterschalter
3
Halbleiterschalter
4
Versorgungspotentialanschluß
5
Versorgungspotentialanschluß
6
Steuervorrichtung
7
Schaltvorrichtung
2
a,
3
a Hauptanschluß
2
b,
2
b Hauptanschluß
2
c,
3
c Steueranschluß
I1
I1
, I2
, I3
Strom
Claims (7)
1. Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Last (1) mit redu
zierter Störabstrahlung mit einer Schaltvorrichtung (7), die
seriell mit der Last (1) zwischen zwei Versorgungspoten
tialanschlüssen (4, 5) verschalten ist und einer Steuervor
richtung, die die Schaltvorrichtung (1) ansteuert,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltvorrichtung (7) einen ersten und mindestens einen
zweiten Halbleiterschalters (2, 3) aufweist, deren Laststrecke
parallel geschalten sind und wobei die Einsatzspannung des
ersten Halbleiterschalters (2) größer als die des zweiten
Halbleiterschalters (3) ist.
2. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Steueranschlüsse (2c, 3c) des ersten und des zweiten
Halbleiterschalter (2, 3) miteinander verbunden sind.
3. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Halbleiterschalter (2, 3) feldeffektgesteuerte Bauelemente
sind.
4. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 3
dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Halbleiterschalter (2) ein größeres W/L-Verhältnis
aufweist als der zweite Halbleiterschalter, wobei W die Ka
nalweite und L die Kanallänge repräsentiert.
5. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 3
dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Halbleiterschalter (2) eine größere Zellenanzahl
als der zweite Halbleiterschalter aufweist.
6. Schalteranordnung nach Patentanspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Zellenanzahl des zweiten Halbleiterschalters (3) zwischen
2 und 5% des ersten Halbleiterschalters (2) beträgt.
7. Schalteranordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltungsanordnung monolithisch integriert oder diskret
aufgebaut ist.
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